夏热冬冷地区太阳能烟囱冬季供暖的性能研究

王素云，宣永梅

(西安工程大学 环境与化学工程学院，陕西 西安 710048)



夏热冬冷地区太阳能烟囱冬季供暖的性能研究

王素云，宣永梅

(西安工程大学 环境与化学工程学院，陕西 西安 710048)

摘要：介绍了太阳能烟囱在通风和供暖两种工况下的系统原理及流程，分析了太阳能烟囱用于夏热冬冷地区冬季采暖的两种运行模式特点及性能，计算结果表明：太阳能烟囱通风量随太阳辐射强度、烟囱高度及烟囱宽度的增加而增加。当室外温度相同，室内温度低于室外温度时，室内空气循环系统的通风量比全新风系统的通风量大；室内温度高于室外温度时，室内空气循环系统的通风量比全新风系统的通风量小。室内空气循环系统空气获得的热量比新风系统大，更容易满足室内热舒适需求。在太阳辐射强度为200W/m2时，全新风系统和室内空气循环系统得到的热量分别能达到室内热负荷的76.6%、94.2%。在太阳辐射强度为300W/m2、400W/m2时，可满足室内热负荷需求。

关键词：太阳能烟囱；供暖；全新风系统；通风量

1引言

太阳能烟囱依靠太阳辐射增加烟囱内部空气温度，使得烟囱内外产生温度差形成浮力，从而形成烟囱内空气的流动，利用“烟囱效应”来强化室内自然通风，改善建筑内热湿环境，提高室内空气品质。太阳能烟囱不消耗常规能源，不需要额外的动力装置，仅利用可再生能源—太阳能，具有降低建筑采暖通风与空调能耗，改善室内空气品质及能源资源可再生等优点，在绿色建筑和生态建筑的发展推广中有良好的应用前景[1，2]。

在太阳能烟囱应用中，可根据室外太阳能辐射强度及室外空气参数开闭不同的风阀，从而实现通风降温、供暖等不同功能[3]。目前国内外学者对太阳能烟囱的研究主要集中在分析太阳能烟囱几何结构和倾斜角度对其通风降温性能的影响。2003年，王丽萍[4]利用实验模拟分析了trombe墙体式太阳能烟囱的特性。2005年，杨卫波等人[5]对太阳能通风墙进行模拟，发现空气夹层厚度的盲目增大及风速的增加会降低其通风性能。2006年，陈会娟、陈滨等[6]借助计算程序采用一维热网络模型对特朗贝墙体的集热性能进行了分析计算。1994年，A.Bouchair[8]研究了利用太阳能烟囱促进被动式通风的方式，发现存在一个可以获得最大通风量的最佳太阳能烟囱高宽比，如果烟囱宽度过大，在通道中心将会存在空气回流。2014年，Leng Pau Chung等人[10]利用CFD软件对太阳能烟囱在湿热环境下的通风进行了模拟研究，得出：一个36 m3的房间，烟囱深度可在0.6～1.0 m，烟囱高度可在1.5～2.0 m，室内空气流速为0.04～0.223 m/s。现有文献对太阳能烟囱在冬季工况下的运行模式进行研究的文献较少。2013年，王汉青、郭娟等[7]对Trombe墙式太阳能强化自然通风方式在冬季工况下白天的运行模式进行了模拟研究。2014年，A.P. Haghighi等人[9]对太阳能烟囱在温带地区的通风与供热进行了模拟研究，研究尺寸为4 m×4 m×3.125 m的房间，其烟囱高3.125 m、宽4 m、深0.2 m，得出：室外温度为5 ℃，太阳辐射强度为215 W/m2时，还能满足室内的供热需求。只要设计合理的烟囱，就可达到室内热舒适性的需求。研究不同结构参数的太阳能烟囱在一定太阳辐射强度下对应的冬季采暖对降低建筑采暖能耗具有一定的实际价值。

夏热冬冷地区最冷月平均温度为0～10 ℃，处在我国太阳能资源一般区，太阳辐照量为4 200～5 400 MJ/(m2·年)。武汉素有“三大火炉”之称，夏热冬冷的气候特点最为典型，一年中，1月平均气温最低，为3 ℃；7月平均气温最高，为29.3 ℃[11]。此地区不属于采暖区域，若太阳能烟囱可用于供暖，可降低建筑采暖能耗。本文介绍了太阳能烟囱通风降温和采暖运行模式，着重分析计算了太阳能烟囱在夏热冬冷地区采暖的运行性能，并对其可行性进行了探讨。

2太阳能烟囱工作原理及流程

2.1结构

太阳能烟囱在建筑中的应用如图1所示，建筑南墙设有Trombe墙，太阳能烟囱主要由透明玻璃板和Trombe墙组成烟道，透明玻璃板上下分别设有阀门1和2，Trombe墙烟囱通道侧表面设有吸热材料，另一侧表面设有绝热材料，墙体上下分别设有阀门3和4。实际应用中，可根据室外气象参数启闭对应的风阀，从而实现太阳能烟囱不同的运行模式。

2.2流程及特点

2.2.1夏季工作流程

(1) 在清晨、傍晚，室内温度高于室外温度，关闭阀门2、3，打开阀门1、4，实现室内通风降温，室内热空气进入空气通道被加热后排出，可以改善室内空气质量，增加室内的换气次数，除去室内的一部分冷负荷。

(2) 在白天，室内温度低于室外温度，关闭阀门3、4，开启阀门1、2，阻止室外热量向室内的传递。

(3) 在深夜，室内温度高于室外温度，集热墙已经没有热量可以利用时，开启所有风口，此时通风墙进行热压和风压下的自然通风，室外空气通过下侧的两个风口进入室内，室内空气通过上侧的两个风口排到室外。过渡季节，也可以采用这种运行方式，全天开启风口，排除室内余热并进行通风换气。

2.2.2冬季工作流程

(1) 室内空气循环系统。冬季，关闭阀门1、2，打开阀门3、4，利用太阳能加热烟囱内的空气，将热空气送入室内，将此通风模式定义为室内空气循环系统。空气通道里的空气加热后在浮力作用下上升，从集热墙的上风口进入室内，向房间提供热空气，同时，房间的冷空气进入空气通道进行补风，室内空气是一个内循环过程，没有新风的补充。在冬季清晨、傍晚，室内温度高于室外温度时，采用这种运行方式，防止室外冷空气侵入室内，室内空气吸收太阳能，只进行内循环。

(2) 全新风系统。当室外空气温度不是很低时，也可以关闭阀门1、4，打开阀门2、3，将室外新鲜空气通过烟囱加热送入室内，将该通风系统称之为全新风系统。在这种方式下，室外冷空气进入空气通道后，被加热上升从集热墙的上风口进入室内，向房间提供热空气的同时还对房间进行了新风的补充。在冬季白天，室内温度低于室外温度时，采用全新风运行模式，室外空气吸收太阳能后进入室内，将室外热量及集热墙吸收的太阳能代入室内，并进行通风换气，补充新风。

3太阳能烟囱通风量计算

3.1烟囱通风量计算公式

以全新风系统为例，根据质量守恒定律，太阳能烟囱诱导的空气质量流量为[12]：

(1)

式中G为质量流量，kg/s；Cd为流量系数，在此模型中取Cd=0.57[13]；Ρ0为出口空气密度，kg/m3；A0为出口面积，m2；g为重力加速度，m/s2；L为太阳能烟囱高度，m；T0为出口的空气温度，K；Ta为室外空气温度，K；Ar为出口面积与进口面积之比。单位面积吸热板的能量平衡方程[14]：

(ατ)S(t)=hf(Tp-Tfp)+UL(TP-Ta)

(2)

式中α为吸热板的吸收率，取α= 0.95；τ为玻璃的透射系数，取τ= 0.85；S(t) 为太阳辐射强度，W/m2；hf为吸热板与流道中空气之间的换热系数，W/(m2·K)；Tp为吸热板温度，K；Tfp为流道中空气的平均温度，K；UL为吸热板与周围环境之间的热损失系数，W/(m2·K)；Ta为室外空气温度，K。

式(2)中参数的取值计算方法参见文献[14]。假设沿太阳能烟囱空气流动方向为X轴，由于太阳能烟囱通道中空气夹层的厚度很薄，通常在0.1～0.3m之间变化[15]，为此计算中忽略烟囱深度，将太阳能烟囱视为二维平面，计算中只考虑烟囱高度方向和宽度方向。则太阳能烟囱通道X方向上微元长度中空气的能量平衡方程表示为:

(3)

式中Cp为空气的定压比热，kJ/(kg·K) ，取Cp= 1.01kJ/(kg·K)；Δx为微元长度，m；W为吸热板的宽度，m；Tf为流道中空气的温度，K。太阳能烟囱的初始条件为x=0，Tf=Ta：

Tf(x)=Tp-(Tp-Ta)exp(-Zx)

(4)

(5)

沿烟囱高度方向上太阳能烟囱内空气的平均温度Tfp可表示为:

(6)

(7)

(8)

(9)

烟囱进出口温差ΔT为:

ΔT=T0-Ta=(Tp-Ta)[1-exp(-ZL)]

(10)

联立方程(1)、(8)、(9)竖直式太阳能烟囱内通风量G:

(11)

同全新风系统，室内空气循环系统的通风量为：

(12)

比较式(11)、(12)，当Ta=Tr时，式(11)和式(12)完全相同。所以，当室内外温度相同时，全新风系统和室内空气循环系统的通风量一样。当Tr>Ta时，室内空气循环系统的通风量小于全新风系统的通风量。反之，全新气系统的通风量大于室内空气循环系统的通风量。从式(11)、(12)中可以看出，太阳能烟囱的通风量受太阳辐射强度、烟囱高度、烟囱宽度及室内外温度等参数影响。

3.2计算结果及分析

武汉冬季室外平均风速为3.7m/s，太阳辐射强度最高为447W/m2[11]。计算中，α=0.95，τ = 0.85[14]，Ai=Ao=0.1m2，烟囱高度为1～4m，烟囱宽度为1～4m[9]，太阳辐射强度为200～400W/m2，计算得在不同工况下太阳能烟囱的通风量，计算结果如图2～图6所示。

从图2、图3和图4可以看出，通风量随太阳能烟囱高度、烟囱宽度以及太阳辐射强度的增加而增加。这主要是由于高度的增加导致集热面积增大，从而可吸收更多的太阳辐射能，以此来加热夹层空气，驱动其流动。因此，与建筑屋面配合，适当增加太阳能烟囱长度将会达到更好的通风效果。

研究得，在Ta=Tr的情况下，全新风系统与室内空气循环系统的通风量相同。武汉地区房间不供暖情况下，室外温度为-3 ℃时，室内温度为0 ℃[15]，得出图5、6。从图5可以看出，室内温度高于室外温度时，室内空气循环系统的通风量比全新风系统小。从图6可以看出，烟囱出口温度随太阳辐射强度的增加而增大。

4供热效果分析

选取烟囱尺寸为H=3.125 m，W=4 m，对全新风系统与A.P.Haghighi[9]的研究结果进行对比。根据热量的计算公式Q=cm(to-tr)，c=1010 J/(kg·K)，tr=10 ℃，计算结果见表1。

表1　新风系统可提供的热量

根据面积热指标法计算，Q=qn·m·F[15]，F为建筑面积。选取供热面积热指标qn·m=90(W/m2)[16]，对于太阳能烟囱房间大小为4 m×4 m×3.125 m[9]，房间所需热负荷为1 440 W，与表1对比，显然新风系统在太阳辐射强度为200 W/m2时，不能满足房间的供热需求。这与A.P.Haghighi[9]的研究结果基本相符。

对于武汉地区冬季不供暖的房间，室外温度为-3 ℃，室内温度为0 ℃[15]。全新风系统与室内空气循环系统空气获得的热量结果表2、表3。

表2　全新风系统可提供的热量

表3　室内空气循环可提供的热量

全新风系统与室内空气循环系统相比，全新风系统的通风量比室内空气循环系统的通风量大，但全新风系统烟囱出口温度比室内空气循环系统烟囱出口温度低，计算结果表明：室内空气循环系统可提供的热量比全新风系统大，更容易满足室内热舒适需求。对于3 m×3 m×3 m的房间，所需热负荷为810 W。在太阳辐射强度为200 W/m2时，全新风系统和室内空气循环系统得到的热量分别能达到室内热负荷的76.6%、94.2%。在太阳辐射强度为300 W/m2、400 W/m2时，可满足室内热负荷需求。其与热负荷需求适合的房间搭配在一起，是可以满足供热需求的。由此可见，太阳能烟囱用于供暖也是可能的。对于不同体积的房间，烟囱有不同范围的尺寸，只要设计合理的烟囱就可达到室内热舒适性的需求[10～20]。

5结语

(1) 太阳能烟囱用于室内通风降温及供暖，既改善了室内热环境，又可以节约能源。

(2) 太阳能烟囱通风量受太阳辐射强度、烟囱高度、烟囱宽度及室内外温度等因素影响，随着太阳辐射强度、烟囱高度及烟囱宽度的增加而增加。当室外温度相同时，室内温度低于室外温度时，室内空气循环系统的通风量比全新风大；室内温度高于室外温度时，室内空气循环系统的通风量比全新风小。

(3) 太阳能烟囱可以满足房间供热需求。在太阳辐射强度为200 W/m2时，全新风系统和室内空气循环系统得到的热量分别能达到室内热负荷的76.6%、94.2%。在太阳辐射强度为300 W/m2、400 W/m2时，可满足室内热负荷需求。

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Research on the Performance of Solar Chimney for Winter Heating in Hot Summer and Cold Winter Zone

Wang Suyun，XuanYongmei

(CollegeofEnvironmentalandChemicalEngineering，Xi′anPolytechnicUniversity，Xi′an710048，China)

Abstract:The article introduces the system theoryand process of solar chimney in two kinds of conditions，namely ventilation and heating.The article focuses on the analysis of the characteristics and performance of two kinds of operating mode for heating in the area whose summer is hot and winter is cold.The results show thatthe ventilation rate is increasing with the increase of the solar radiation and solar chimney′s width and height.When the outdoor temperature is the same and the indoor temperature is lower than the outdoor′s，the ventilation rate of the indoor air circulation system is higher than that of the all fresh air system;when the indoor temperature is higher than the outdoor′s，the ventilation rate of the indoor air circulation system is lower thanthat of the all fresh air system.The heat from the indoor air circulation system is largerthan the heat from the all fresh air system，which is easier for the indoor air circulation system to meet the demand of the indoor thermal comfort.Whenthe solar intensity is 200 w/m2，the heat can achieve 76.6% and 94.2% of the indoor heat load by the all fresh air system and the indoor air circulation system.Whenthe solar intensity is 300 w/m2 and 400 w/m2，the two systems can meet the demand of indoor heat load.

Key words:solar chimney;heating;all fresh air system;ventilation rate

文章编号：1674-9944(2016)02-0111-04

中图分类号：X83

文献标识码：A

作者简介：王素云(1989—)，女，山西安泽人，西安工程大学环境与化学工程学院硕士研究生。

收稿日期：2015-11-04